BSNAK, Vol. 58, No. 1, June 2021 5
특집 : 선박 및 해양 플랫폼 화학 공정 기술 개발 동향 및 전망
임영섭, 서유택(서울대학교)
1. 서 론
화학 공정(Chemical Process)은 물질의 물성 변화 또는 화학 반응을 이용해 하류 공정에서 필요한 물질을 얻는 시스템을 의 미하며, 물성 변화와 화학 반응을 위해 에너지 공급 또는 생산이 동반된다. 조선산업에서는 추진 및 연료 공급 시스템과 원유 및 가스 수송을 중심으로 다양한 화학 공정들이 개발됐으며, 최근 기후변화에 대응하기 위한 노력이 산업 전 분야로 확산하면서 새로운 화학 공정 기술이 제안되고 있다.
그림 1. IMO 온실가스 저감 계획
2015년 파리 조약에서 전 세계 온도 상승을 2도 이하로 규정한 것을 이행하기 위해서 IMO (International Maritime Organization, 국제 해사 기구)에서는 선박에서 배출되는 온실가스(GHG, Green House Gas)를 줄이기 위한 규제를 시행하고 있다. (MARPOL Annex IV) 제3차 IMO GHG Study에서 발표된 자료에 의하면 선박의 온실가스 배출량 은 10억 3천 6백만톤 CO2-eq로 전 세계 온실가스 배출의 2.8%를 차지한다. 컨테이너선과 벌크선, 유조선이 전체 배 출량의 60%를 차지하며, 2050년까지 선박 CO2 배출량은
50~250%까지 증가할 것으로 예측하였다. 이에 대응하고 자 2019년 5월 MEPC 74에서 EEDI Phase III의 조기 도입 시기를 결정하였으며, 2025년~2030년까지 선박 배기가스 중 CO2를 30% 이상 감축할 것을 요구하고 있다. 2030년 이후 적용되는 Phase IV에서는 40% 이상의 CO2 감축을 요구하고 있다. 하지만, 2020년 10월 배출 규제를 강화하는 안이 제안되어, 2030년까지 2008년 기준 40%까지 carbon intensity를 줄이고, 2050년까지 2008년 기준 70%까지 carbon intensity를 줄이는 계획을 수립하였다. 이런 일련 의 규제를 통해 2050년까지 선박으로부터 배출되는 온실 가스를 50%까지 감축하는 것을 목표로 하고 있다. 다양한 화석 연료 기반 연료를 사용하는 선박들의 경우 환경 규제 에 대응하기 위해 배기가스로부터 온실가스를 분리-저장 하는 기술이 필요하고, 신조 선박의 경우 zero Carbon 또 는 near-zero Carbon 연료를 사용할 수 있는 새로운 추진 시스템이 필요하다.
그림 2. 2050 에너지 시장 예상 (BP Energy Outlook)
6 대한조선학회지┃제 58권 제 1호 한편 온실가스 저감을 위한 노력은 에너지 시장의 변화를
가져오고 있다. 최근 흥미로웠던 소식 중 하나는 BP사가 2050년까지 탄소 배출 net-zero를 달성한다는 목표를 발표한 것이다. 지난 수 십 년간 전 세계에서 유전 및 가스전을 개발 해온 기업이 최근에는 탄소 배출 zero에 도전한다는 목표를 수립하고 이를 위해 많은 신재생 에너지 사업에 진출하고 있 다. BP사에서 매년 발간하는 Energy Outlook에는 이런 시각 이 반영되고 있는 것으로 여겨진다. Energy Outlook 2019년 판에는 석탄과 오일, 천연가스 등 화석연료가 2040년 까지도 에너지 시장의 75%를 차지할 것으로 예측했지만, 2020년 판 에서는 화셕 연료 비율이 점차 감소해 2050년에는 에너지 시 장의 50~70% 이하로 감소할 것으로 예측하고 있다. 이 예측 은 현재 활발히 논의되고 있는 Carbon price에 따라 세가지 시나리오를 제안하고 있으며, 탄소 중립 도달 (Net Zero), 신 속한 저감 (Rapid), 현재 수준 유지 (Business as usual)등이 그것이다. 낮은 비율로 유지되던 신재생 에너지의 비율이 크 게 증가할 것이며, 2030년 이후 수소의 등장도 예상한다.
화석 연료 중 천연가스의 에너지 시장 비율은 현재의 수준 을 유지하거나 살짝 감소할 것으로 예상하며, 대용량 발전 시 장에서 석탄을 대체할 것으로 예상된다. CCUS (Cqrbon Capture Utilization Storage) 기술과 함께 사용되는 경우 near-zero Carbon 연료로 간주되며, 수소 생산을 위한 원료 로 활용될 것이다. 이러한 에너지 시장의 변화로 인해 오일 또는 천연가스를 생산하는 에너지 기업들은 BP처럼 통합 에 너지 회사 (Integrated Energy Company)로 다시 태어나기위 해 노력하고 있으며, 수소와 신재생 에너지에 활발히 투자하 고 있다. 하지만 에너지 전환이 완전히 이루어질 때까지는 화 석 연료에 의존할 수밖에 없기 때문에, 화석 연료 기반의 에 너지 시스템은 디지털 기술을 통해 고도화를 꾀하고 있다. 오 일과 천연가스를 생산하는 해양 플랫폼은 일정 수준으로 발주 가 계속 될 것이며, 새로운 에너지원인 수소와 암모니아의 생 산 공정이 해양 플랫폼에 적용될 수도 있을 것으로 전망된다.
본 기사는 변화하는 선박 추진 연료와 극저온 유체의 수송, 해양 플랫폼에서 친환경 연료의 생산 및 탄소 포집-저장을 중 심으로 기술 개발 동향을 분석하고 발전방향을 전망하고자 한 다.
2. 본 론
2.1 친환경 선박 추진 연료 기술개발 동향
LNG (Liquified Natural Gas) 운반선은 –160oC 이하의 낮 은 온도를 유지하는 화물창에 LNG를 저장해 운반하며, 이 때 화물창 안에서는 액체 상태의 천연가스와 기체 상태의 천연가스가 상평형을 이루고 있으며, 외부로부터 유입되는 열로 인해 BOG (Boil-Off Gas)가 발생한다. LNG 운반선을 위한 기술 개발은 화물창을 위한 단열재와 BOG 관리를 위 한 재액화 시스템, LNG 기화를 위한 재기화 시스템에 집중 되어왔다. 최근에는 환경 규제에 대응하기 위해 선박 배기 가스에 포함된 SOx 성분을 포집하는 스크러버(Scrubber) 가 개발되었으며, 스크러버에서는 해수 또는 담수를 이용해 배기가스에 포함된 SOx를 황산염로 전환시킨다. 이때 SOx 는 물, 나트륨과 차례로 반응하면서 황산염으로 전환되고, 반응을 촉진시키기 위한 시스템 구성이 이루어진다. IMO에 서 요구하는 환경 규제는 더욱 강화되고 있으므로, 최근에 는 near-Zero 및 Zero Carbon 연료를 이용한 선박 추진이 화두가 되고 있다. 화물로만 수송하던 LNG를 추진 연료로 사용하기 시작하였으며, 더 나아가 수소(H2) 또는 암모니아 (NH3)와 같이 탄소를 전혀 포함하지 않는 연료를 추진 연료 로 사용하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 추진 연료의 변 화는 자연스럽게 다양한 화학 공정들을 선박에 적용하도록 요구하고 있다. 수소 또는 암모니아를 추진 연료로 사용하 는 경우 연료 저장 탱크와 연료 공급 시스템이 달라질 것이 고, 최적 연료 공급 조건을 충족하기 위한 화학 공정이 도입 되어야 한다. Zero Carbon 연료를 사용할 수 없는 선박의 경우, 선상 CO2 capture (Onboard Carbon Capture)를 위 한 화학 공정이 적용되어야 한다. 육상 발전소를 위한 이산 화탄소 포집 공정이 활발히 연구되어 상용 단계에 이르고 있지만, 선박 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 화학 공 정은 아직 연구 단계에 있다고 할 수 있다.
2.2 해양 플랫폼 기술개발 동향
한편, 선박 추진 연료의 변화를 유도한 환경 규제는 해양
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순 서∘
∙ Zero-Carbon Fuel: 수소와 암모니아 ∙ 선상 이산화탄소 포집, 활용 및 저장
∙ 선박 적용을 위한 소형 이산화탄소 포집 및 전환 시스템 ∙ 해양 플랫폼 공정 디지털 트윈 기술 개발 동향
플랫폼을 위한 화학 공정에도 변화를 주고 있다. 해양 유, 가스전에서 오일과 천연가스를 생산하는 해양 플랫폼은 고 정식 플랫폼, 부유식 플랫폼, FPSO 등의 다양한 형태로 변 화해 왔지만, 근본적으로는 저류층에서 생산되는 오일과 천 연가스, 물을 분리해 수요처에서 원하는 물성으로 송출하는 역할에 충실했다. 오일을 원유 수송선으로 수송하기 위해서 는 상압에서 유증기가 발생하지 않도록 안정화해야 하며, 천연가스는 파이프라인으로 송출하기 위해 수분 함유량과 액화점을 조절해 주어야 한다. 해저 생산정과 해양 플랫폼 을 연결하는 파이프라인의 안정적인 운영을 위해 다양한 화 학 물질을 주입하고, 이를 회수하는 공정들도 추가되었다.
2010년까지 유지되는 높은 유가는 해양 플랫폼의 대형화 와 심해 유,가스전 개발을 촉진했지만, 유가 폭락 이후 이어 진 저유가 시대는 신규 해양 플랫폼 발주보다는 기존 플랫 폼의 수명 연장과 경제성 향상에 초점을 맞추게 하는 요인 이었다. 최근 유가가 상승하면서 해양 플랫폼에 대한 수요 가 서서히 회복되고 있지만, 기후 변화로 인한 탄소 중립 요구가 거세지면서 많은 에너지 기업들은 신재생 에너지와 수소에 대한 기술 개발에 뛰어들고 있다. 이와 더불어 이산 화탄소 전환 및 저장 기술 수요가 증가할 것으로 보고 이를 위한 공정 기술 개발도 활발하다. 수소 생산을 위한 공정은 육상에서 기술적으로 검증된 천연가스 수증기 개질법이 유 력하다. 수증기 개질은 수성 가스 전환과 함께 CO2를 배출 하기 때문에 CCUS 기술을 필요로 할 것이다. 천연가스로부 터 생산된 수소는 더 나아가 하버-보쉬 공정을 이용해 암모 니아 합성에도 활용될 수 있다. 하지만, 수증기 개질 공정과 암모니아 합성 공정 모두 많은 에너지 소모를 요구하는 단 점이 있다. 가장 좋은 방법은 풍력 또는 태양광에서 생산되 는 전기를 이용해 수전해를 하는 것이지만, 해양플랫폼에 적용된 사례는 없다.
최근 해양 플랫폼 설계에 가장 큰 영향을 미치고 있는 이슈는 스마트 기술의 발전이다. 에너지 기업들은 스마트 기술을 통해 오일 및 가스 처리 공정의 성능을 고도화하고, 예측 유지보수를 통해 운영비용을 절감할 수 있을 것으로 기대한다. 다양한 산업 분야에 활용되고 있는 디지털 트윈 은 해양 플랫폼에도 적용되고 있으며, 해양 플랫폼 설계 및 건조, 운영, 해체에 이르기까지 전주기에 활용 가능할 것으 로 전망된다. 해양 플랫폼에서 운영되는 다양한 화학 공정
들은 정상 상태와 동적 운전 상황을 디지털 트윈으로 구현 할 수 있을 것이다. 다양한 센서에서 얻어진 주요 공정 장비 들의 운영 데이터는 디지털 트윈으로 전달되며, 3차원 가시 화를 통해 운영 상황이 모니터링 될 수 있다. 최근 주목을 받고 있는 것은 기계 학습을 적용한 화학 공정의 성능 고도 화 기술이다. 기계 학습 또는 강화 학습 알고리즘을 적용해 성능 변화를 예측하고, 이를 바탕으로 유지 보수가 가능해 운영 비용을 절감하면서 공정 효율 변화에 선제적인 대처가 가능하다.
3. 결 론
본고는 기후 변화에 대응하기 위한 선박의 추진 연료 변 화와 이산화탄소 포집, 수송, 저장을 위한 기술 개발을 살펴 보았다. 환경 규제에 대응하기 위한 선박용 공정 개발이 활 발히 이루어지면서 선박의 설계에 영향을 미치고, 새로운 기술 분야를 창출할 수 있다. 변화하는 에너지 시장은 해양 플랫폼의 역할 변화를 요구하고 있으며, 최근 각광을 받고 있는 스마트 기술이 활발히 적용되고 있다. 본고에서는 선 박 및 해양 플랫폼의 화학 공정을 중심으로 기술에 대한 동 향과 전망을 설명한다.
참 고 문 헌
IMO ACTION TO REDUCE GHG EMISSIONS FROM INTERNATIONAL SHIPPING.
BP Energyoutlook 2020.
